Геохимия

Наука
Геохимия
англ. Geochemistry
Тема	геология, химия
Предмет изучения	Земля и планеты
Период зарождения	XIX век
Основные направления	биогеохимия, космохимия, геохимия изотопов, региональная геохимия и пр.
Медиафайлы на Викискладе

Геохимия (Химия Земли, от др.-греч. γῆ «Земля» + химия) — наука о химическом составе Земли и планет, законах распределения и движения элементов и изотопов в различных геологических средах, процессах формирования горных пород, почв и природных вод.

В задачи геохимии входят:

• Определение относительной и абсолютной распространённости элементов и изотопов в Земле и на её поверхности.
• Изучение распределения и перемещения элементов в различных частях Земли (коре, мантии, гидросфере и т. д.) для выяснения законов и причин неравномерного распределения элементов.
• Анализ распределения элементов и изотопов в космосе и на планетах Солнечной системы (космохимия).
• Изучение геологических процессов и веществ, производимых живыми или вымершими организмами (биогеохимия).

Термин геохимия в 1838 году был введён Кристианом Шёнбейном^[1], который сказал: «Сравнительная геохимия должна быть запущена до того, как геохимия может стать геологией, и до того, как тайна бытия наших планет и их неорганических веществ могут быть раскрыты»^[2], впервые опубликован в 1844 году.

Распространенным термином был также «химическая геология»^[2].

Большой вклад в создание Геохимии как самостоятельной науки внесли В. М. Гольдшмидт, Ф. У. Кларк^[3], В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман, А. П. Виноградов и другие учёные.

Геохимия исторически сформировалась как химия элементов в геосферах и во многом продолжает оставаться такой. Это было оправдано во времена Ферсмана и Вернадского. Но свойства веществ — это свойства фаз. Один и тот же элемент может находиться в составе различных фаз и сам образовывать много фаз с очень разными свойствами (пример — несколько фаз углерода). В XX веке появились методы анализа фаз, например рентгено-фазовый анализ. Поэтому дальнейшее развитие геохимии представляется, как химия фаз в геосферах. Общий элементный анализ геологических проб должен подкрепляться фазовым анализом. Иначе при рассмотрении свойств геологических пород происходит резкий переход через структурный уровень организации вещества: от химического элемента, минуя минеральную фазу, к породе и геологическому телу.

В течение первой половины XX века множество учёных использовали разнообразные методы для определения состава земной коры, и геохимия многих редких элементов была изучена с использованием появившегося метода эмиссионной спектроскопии. Кристаллические структуры большинства минералов были определены методом рентгеновской дифракции. В. И. Вернадский разработал основы биогеохимии.

Резкий прогресс в области науки и технологий во время Второй мировой войны привёл к появлению новых приборов^{[источник не указан 1499 дней]}. Но геохимия в это время ещё развивалась сравнительно медленно. В 1950-х годах всего нескольких журналов было достаточно для публикации всех важных достижений в геохимии. На собрании Американского геофизического общества было несколько геохимических сессий, большинство из которых было посвящено локальным проблемам и не выходили за рамки геохимии.

В середине 1950-х годов академик АН СССР Александр Павлович Виноградов основал новое направление в геохимии — изотопную геохимию — фракционирование в природных процессах изотопов лёгких элементов (кислород, сера, углерод, калий и свинец). Результатом работ Виноградова стало определение абсолютного возраста Земли, щитов — Балтийского, Украинского, Алданского и других, а также пород Индии, Африки и других регионов; изучен состав метеоритов (разные формы углерода, газов и других веществ)^[4]. Его исследования дали старт новому этапу развития геохимии^[5].

В 1960-х годах атмосферная и морская геохимия интегрировались с геохимией литосферы; космохимия и биогеохимия внесли огромный вклад в наше понимание истории нашей планеты. Началось изучение Земли как единой системы.

Масштабные морские экспедиции показали, как и насколько быстро смешиваются воды океанов, они продемонстрировали связь между морской биологией, физической океанологией и морским осадконакоплением. Открытие гидротермальных источников показало, как формируются рудные месторождения. Были открыты прежде неизвестные экосистемы, и были выяснены факторы, которые управляют составом морской воды.

Теория тектоники плит преобразила геохимию. Геохимики, наконец, поняли природу поведения осадков и океанической коры в зонах субдукции, их погружение и эксгумацию. Новые эксперименты при температурах и давлениях глубин Земли позволили выяснить, какова трехмерная структура мантии и как происходит генерация магм. Доставка на Землю лунных пород, исследование с помощью космических аппаратов планет и их спутников и успешный поиск планет в других звёздных системах произвели революцию в нашем понимании Вселенной.

Геохимия имеет ряд смежных вопросов с экологией. Открытие озоновых дыр ^[6] послужило недвусмысленным тревожным экологическим признаком и источником новых фундаментальных взглядов в фотохимии и динамике атмосферы. Увеличение содержания СО₂ в атмосфере вследствие сжигания ископаемого топлива и уничтожения лесов было и будет предметом основных дискуссий о глобальных антропогенных изменениях климата. Исследование этих явлений служит источником новой информации о взаимодействии атмосферы с биосферой, земной корой и океанами.

Некоторые подразделы геохимии^[7]:

• Водная геохимия^[англ.] изучает роль различных элементов в водосборных бассейнах, в том числе меди, серы, ртути, и взаимный обмен веществ гидросферы с атмосферой и литосферой^[8]
• Биогеохимия — это область исследований, изучающая влияние жизни на химию Земли^[9].
• Космохимия включает в себя анализ распределения химических элементов и их изотопов в космосе^[10].
• Изотопная геохимия^[англ.] включает определение относительных и абсолютных концентраций элементов и их изотопов в оболочках Земли^[11].
• Органическая геохимия^[англ.] изучает процесы образования соединений, продуцируемых живыми организмами или образующихся из некогда живых организмов^[12].
• Фотогеохимия^[англ.] проводит исследования химических реакций, протекающих под действием света или с выделением света, которые происходят среди природных компонентов земной поверхности^[13].
• Региональная геохимия^[англ.] изучает практические вопросы геохимии, связанные с экологическими, гидрологическими и минеральными исследованиями для отдельных регионов или континентов Земли^[14].

1. Рентгено-флуоресцентный анализ (РФА, XRF) . В настоящее время наиболее широко используемый метод для определения главных и редких элементов в породах. Можно определить до 80 элементов в широком диапазоне концентраций, до г/т.
2. Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС). Высокая чувствительность, но невысокая производительность, не может сравниться с РФА и ІСР-MS.
3. Нейтронно-активационный анализ.
   • инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА)
   • радиохимический нейтронно-активационный анализ (НАА)
4. Гамма-спектрометрия. Измерение естественной радиоактивности трех элементов U, Th, K. С помощью детектора измеряется характерное излучение каждого элемента.
5. Эмиссионная спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой. Относительно новый вид анализа, в принципе могут быть определены все элементы ПС.
6. Масс-спектрометрия. В различной форме это наиболее эффективный метод определения изотопных отношений.
   • Масс-спектрометрия с изотопным разбавлением
   • Масс-спектрометрия с индуктивносвязанной плазмой ІСР-MS
7. Электронно-микропробный (микрозондовый анализ). Определение петрогенных элементов в единичных малых зернах минералов. По принципу аналогичен рентгено-флуоресцентному методу, но образец возбуждается потоком электронов.
8. Ион-микропробный анализ (ионный зонд). Применяется для определения редких элементов и изотопов.

Интерпретация геохимических данных:

Редкоземельные элементы (РЗЭ) нормируются по хондриту С1 и по примитивной мантии. Полученные нормированные данные строятся на логарифмической шкале. Полученный тренд, выявленные максимумы и минимумы элементов указывают в каких условиях образовалась порода.

• 1955 — Геохимическое общество (Geochemical Society)
• 1966 — Международная ассоциация геохимии и космохимии (International Association of Geochemistry and Cosmochemistry)
• Европейская Геохимическая ассоциация (European Association for Geochemistry).

Организации и лаборатории в России:
Владивосток:

• Дальневосточный геологический институт ДВО РАН

Екатеринбург: Институт геологии и геохимии им. А. Н. Заварицкого УрО РАН^[15] Иркутск:

• Институт земной коры СО РАН
• Институт геохимии им. А. П. Виноградова СО РАН^[16]

Москва:

• Институт минералогии, геохимии, кристаллохимии и редких элементов (ИМГРЭ)
• Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН
• Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского

Новосибирск:

• Институт минералогии и петрографии^[17] в Объединённом Институте геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука

Петрозаводск:

• Институт геологии Карельского научного центра РАН

Сыктывкар:

• Институт геологии Коми научного центра УРО РАН

• 1971 — Международный геохимический конгресс^[18].
• 1991 — Гольдшмидтовская конференция.

Серийные издания:

• 1950 — Geochimica et Cosmochimica Acta
• 1986 — Applied Geochemistry"
• Геохимия (журнал.

Книги:

• Rankama K., Sahama Th. G. Geochemistry. — Chicago: The University of Chicago Press, 1950. — 912 p.
• Goldschmidt V. M. Geochemistry / Ed. Muir Alex. — Oxford: Clarendon Press, 1954. — 730 p.
• Holland Heinrich D., Turekian Karl K. Treatise on Geochemistry, Vols. 1—16 — Elsevier Science, 2014, ISBN 978-0-08-098300-4.
• А. Е. Ферсман. Геохимия. — тома 1—4, 1933—1939.
• В. И. Вернадский. Химическое строение биосферы Земли и её окружения. — М.: Наука, 1965. — 348 с.
• А. И. Перельман. Геохимия. — М.: Высшая школа, 1988. — 527 с.
• А. И. Перельман, Н. С. Касимов. Геохимия ландшафта. — М.: Астрея-2000, 1999. — 762 с.
• В. А. Алексеенко. Экологическая геохимия. — М.: Логос, 2000. — 627 с.
• Ю. Е. Сает и др. Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. — 335 с.
• Экогеохимия ландшафтов / Н. С. Касимов. — М.: ИП Филимонов М. В., 2013—208 с.
• В. А. Алексеенко. Геоэкология. Экологическая геохимия. — Ростов- н/Д.: Феникс, 2016. — 688 с.
• А. А. Ярошевский. Проблемы современной геохимии Конспект лекций, прочитанных в ГЕОХИ РАН в зимнем семестре 2003—2004 г.
• В. Ф. Барабанов. Геохимия. — Л.: Недра, 1985. — 423 с.
• А. И. Тугаринов «Общая геохимия». — Атомиздат, 1978.
• «Интерпретация геохимических данных». Под редакцией Е. В. Склярова. — Интермет Инжиниринг, 2001.
• Ферсман А. Е. Занимательная геохимия. — Ленинград, 1954.
• Фор Г. «Основы изотопной геологии», 1989.

• Биогеохимический цикл
• Геохимические классификации элементов
• Геоэкология
• Гелиеметрия
• Мантия Земли

• Геохимия в каталоге минералов.
• Геохимия изотопов радиоактивных элементов (U, Th, Ra).
• Словарь геохимических терминов.
• Учебник Геохимии.